[論文レビュー] Interacting Dark Sectors in Anisotropic Universe: Observational Constraints and $H_{0}$ Tension

Hassan Amirhashchi, Anil Kumar Yadav+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、観測的ハッブルデータ、CMB、BAO、SNIa、および$H_0$の事前分布を用いて、非等方的Bianchi I宇宙における相互作用的ダークエネルギーとダークマターを調査している。定数および変化する結合モデルの両方が、相互作用が無視できる（$\delta \approx 0$）$\Lambda$CDMを支持しており、HSTが得た高い$H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpcの値は、顕著な結合を必要とせずに一貫しており、この枠組みで$H_0$の矛盾が解消される。

ABSTRACT

The present study reveals observational constraints on the coupling between dark components of anisotropic Bianchi type I universe. We assume interaction between dark matter and dark energy and split the continuity equation with inclusion of interaction term $Γ$. Two scenarios have been considered (i) when coupling between dark components is constant and (ii) when it is a function of redshift ($z$). Metropolis-Hasting algorithm has been used to perform Monte Carlo Markov Chain (MCMC) analysis by using observational Hubble data obtained from cosmic chronometric (CC) technique, cosmic microwave background (CMB) baryon acoustic oscillation (BAO), Pantheon compilation of Supernovae type Ia (SNIa), their joint combination and a Gaussian prior on the Hubble parameter $H_{0}$. It is obtained that the combination of all databases plus $H_{0}$ prior marginalized over a present dark energy density gives stringent constraints on the current value of coupling as $-0.001<δ<0.041$ in constant coupling model and $-0.042<δ<0.053$ in varying coupling model at 68\% confident level. In general, for both models, we found $ω^{X}\approx -1$ and $δ(δ_{0})\approx 0$ which indicate that still recent data favor uncoupled $Λ$CDM model. Our estimations show that in constant coupling model $(H_{0}=73.9^{+1.5}_{-0.95}, δ=0.023^{+0.017}_{-0.024})$ which naturally leads to consistent value of the Hubble constant. This result is interesting because the previous works show that such a high value of Hubble constant requires the significant value of coupling parameter $δ$. It has been also observed that in the constant coupling model, we do not find any disagreement between the estimated $H_{0}$ and those reported by Hubble space telescope (HST) and large scale structure (LSS) experiments.

研究の動機と目的

• 非等方的Bianchi I宇宙におけるダークエネルギーとダークマターの結合が及える影響を調査すること。
• ダーク成分間の相互作用が、宇宙論的データで観測される$H_0$の矛盾を緩和できるかどうかを検証すること。
• ハッブルパラメータの測定値（宇宙時計による）を含む、複数の観測データセットを用いて、結合パラメータ$\delta$を制約すること。
• 定数および赤移依存の結合シナリオの両方が、現在の宇宙論的観測とどの程度整合するかを比較すること。
• 宇宙の幾何学的非等方性が、相互作用的ダークセクター・モデルの妥当性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 空間的不同な方向に異なる膨張率を許容するため、Bianchi I計量を用いて宇宙をモデル化すること。
• ダークマターとダークエネルギーの連続性方程式に、結合項$\Gamma$を導入し、2つのシナリオを設定：定数$\delta$と赤移依存の$\delta_0(1+z)$。
• モデルパラメータを制約するために、モンテカルロ・マークフォン・チェーン（MCMC）のためのメトロポリス・ハスティングス法を適用すること。
• 観測データの統合：ハッブルパラメータ測定値（OHD）、CMB、BAO、SNIa（Pantheon）、$H_0$のガウス事前分布。
• $\chi^2$統計量を用いてモデルの適合度を評価し、すべてのパラメータの68%信頼区間を計算すること。
• 全データセットの同時尤度解析を実施し、$H_0$、$\omega^X$、$\Omega^m$、$\delta$、$\delta_0$の事後分布を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定数の結合が、非等方的Bianchi I宇宙における$H_0$の矛盾を緩和できるか？
• RQ2 赤移依存の結合は、高$H_0$測定値と他の宇宙論的データとの整合性をより良く満たすか？
• RQ3 非等方的モデルにおける相互作用強度$\delta$およびダークエネルギーの状態方程式$\omega^X$の観測的制約は何か？
• RQ4 非等方性を含めると、$\Lambda$CDMモデルと相互作用的ダークエネルギーモデルの間で、どの程度の好みが変化するか？
• RQ5 HSTが得た高い$H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpcは、ダークセクターにおける最小限の相互作用と整合するか？

主な発見

• 定数結合モデルでは、$H_0 = 73.9^{+1.5}_{-0.95}$ km/s/Mpc および $\delta = 0.023^{+0.017}_{-0.024}$ が得られ、1$\sigma$でHST測定値と整合する。
• 変化する結合モデルでは、$H_0 = 69.73 \pm 0.67$ km/s/Mpc が得られ、PlanckおよびLSSデータと整合するが、$H_0$の矛盾を解消しない。
• 観測データは、$\omega^X \approx -1$ および $\delta \approx 0$ を強く支持しており、相互作用なしの$\Lambda$CDMモデルが好まれることを示している。
• 定数結合モデルでは、結合パラメータの68%信用区間が$-0.001 < \delta < 0.041$、変化する結合モデルでは$-0.042 < \delta_0 < 0.053$である。
• ほとんどのデータセットの組み合わせで、$H_0$と$\omega^X$の間には負の相関が観測され、R19事前分布を含むと$\delta_0$と$\omega^X$の間にも弱い負の相関が見られる。
• R19を含む統合データセットから、$\Omega^m = 0.3142^{+0.0076}_{-0.012}$ および $\Omega^X = 0.686^{+0.012}_{-0.0076}$ が得られ、Planck 2018の結果と整合的である。